摘要：針對有強電場、強磁場干擾且不便于近距離測量的工業(yè)過程監(jiān)測問題，本文提出了一種新型的無線傳感器遙測系統(tǒng)設(shè)計方案。在給出系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，應(yīng)用無線通信芯片CC2420，單片機AT89S53，實現(xiàn)了對所需測量的參數(shù)進行定時采集、計算、誤差處理、存儲以及數(shù)據(jù)的發(fā)送控制等。系統(tǒng)的發(fā)送電路中采用編碼器，在接收電路中相應(yīng)增加了解碼器，從而有效控制了由無線信道噪聲或干擾造成的差錯，同時也擴展了射頻電路發(fā)送數(shù)據(jù)的容量。系統(tǒng)電路設(shè)計簡單，信息傳輸可靠性好，數(shù)據(jù)傳輸精度高，抗干擾能力強。
關(guān)鍵詞：數(shù)據(jù)采集；無線收發(fā)器；編碼器；譯碼器；遙測系統(tǒng)
Design of a New type of Wireless Sensor Telemetry System
Zhang-Xiujian1,Wang-Junben2
1. Institute of Electrical Engineering ,Yanshan University,Qinhuangdao 066004,China.
2. Northwestern Polytechnical University,Xi’an 710129, China）

Abstract: A new type of wireless sensor telemetry system design method is proposed in this paper for the strong electric field, the strong magnetic field disturbance and without the industrial process to facilitate close monitoring. Based on the proposed system framework, we realize the timing parameters for measurement of the collection, calculation, error handling, storage, and data transmission control by using wireless communication chip CC2420 and MCU AT89S53. The encoder is used in send circuit and the decoder is used in receiving circuit accordingly, thus the mistakes which is caused by the wireless channel noise or the interference can be controlled effectively, and expanding the RF circuit of the transmission data capacity. Experimental result shows that the design of the system circuit is simple, good reliability of data transmission with high precision, and strong anti-jamming ability.
Keywords: data acquisition;  wireless transceiver; encoder; decoder; telemetry system
1引言
      近年來，隨著無線通信技術(shù)的成熟，無線傳感器遙測系統(tǒng)呈現(xiàn)出其巨大的優(yōu)越性。遙測系統(tǒng)在于實現(xiàn)遠距離的溫度等參數(shù)測量，以解決被測地點與儀表室或控制室距離較遠，或被測參數(shù)地點有害人身安全的問題[1-2]。例如，在大型水壩的應(yīng)力測量、煉鐵高爐爐壁的溫度測量、大型自動化生產(chǎn)設(shè)備的參數(shù)測量及核反應(yīng)區(qū)有關(guān)參數(shù)測量等領(lǐng)域需要進行參數(shù)遙測。
      遠距離信息傳輸?shù)姆绞胶芏?，如射頻、紅外線等無線傳輸及電纜、光纖有線傳輸?shù)取２捎秒娎|作信息傳輸是最簡單的方式，但信息在傳輸過程中有較大的損耗，抗干擾性能差，重量大；采用光纖傳輸成本太高，不易維護；采用紅外線傳輸時，則受氣候影響較大，而且距離較遠時，需要較大的發(fā)射功率[3]。本系統(tǒng)利用基于射頻芯片CC2420和單片機AT89S53為核心的無線傳感器硬件節(jié)點設(shè)計了一種簡單、數(shù)據(jù)傳輸精度高、抗干擾能力強的新型遙測系統(tǒng)，本系統(tǒng)主要用于有強電場、強磁場干擾且不便于近距離測量的場合。本文以遙測溫度為例來說明設(shè)計思想。
2 系統(tǒng)總體方案
      系統(tǒng)主要有四部分組成：數(shù)據(jù)采集部分；數(shù)據(jù)處理部分；無線通信部分；接收顯示部分。其中數(shù)據(jù)采集部分由傳感器、信號調(diào)整電路、光電隔離及A/D轉(zhuǎn)換組成。接收顯示電路部分由解碼器、七段碼譯碼器、十進制計數(shù)器、驅(qū)動器、數(shù)碼顯示電路等組成。發(fā)送電路中采用了編碼器，在接收電路中相應(yīng)增加了解碼器，從而有效控制了由無線信道噪聲或干擾造成的差錯，同時也擴展了射頻電路發(fā)送數(shù)據(jù)的容量。系統(tǒng)設(shè)計所選用的器件都具有較強的抗干擾能力，能夠適用于有強電場、強磁場干擾的工業(yè)場合。
本系統(tǒng)是一種通用的遙測系統(tǒng),只要變換不同的傳感器，并調(diào)整調(diào)理電路結(jié)構(gòu)及參數(shù)，修改計算處理軟件程序,就可以達到遙測各種測量參數(shù)的目的[4]。本設(shè)計中，選用的無線通信芯片是CC2420，單片機是AT89S53。系統(tǒng)總體方案流程圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體方案流程圖  

3系統(tǒng)軟硬件設(shè)計
3.1 硬件設(shè)計
3.1.1數(shù)據(jù)采集單元設(shè)計
      本系統(tǒng)選用HD01系列溫度變送器。它是一種將溫度傳感器(熱電阻和熱電隅信號)，經(jīng)全隔離放大轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的直流信號，從而實現(xiàn)對被測信號精確測量的儀器。該變送器輸入、輸出、電源三方全隔離隔離，抗干擾能力強，且輸入、輸出選擇范圍寬，對應(yīng)溫度范圍-200～1600℃內(nèi)各量程，準(zhǔn)確度高，電源可選擇，導(dǎo)軌安裝便于檢測與維護。
      溫度變送器可對傳感器的數(shù)據(jù)進行處理，包括對測量信號的調(diào)理（如濾波、放大等）、數(shù)據(jù)顯示、自動校正和自動補償?shù)取Ｋ馨褌鞲衅鳈z測的電信號變成4～20mA的直流信號。信號調(diào)整電路負責(zé)把溫度傳感器的4～20mA的標(biāo)準(zhǔn)電流信號轉(zhuǎn)換為電壓信號，最簡單的方法是在輸出端串聯(lián)一個電阻，但這樣的電壓零點信號不是0V，所以一般采用I/V轉(zhuǎn)換器，本系統(tǒng)采用了RCV420變換器。
      現(xiàn)場傳感器與A/D轉(zhuǎn)換器之間的模擬信號的線性傳送，可用光耦的這種線性區(qū)對模擬信號進行隔離。電耦合器隔離性能好，輸入端與輸出端實現(xiàn)了電隔離；光信號單向傳輸，輸出信號對輸入端無反饋，可有效阻斷電路或系統(tǒng)之間的電聯(lián)系，但并不切斷他們之間的信號傳遞；光信號不受電磁干擾，工作穩(wěn)定可靠；抗共模干擾能力強，能很好地抑制干擾并消除噪音。耦合器因為其獨特的原理和結(jié)構(gòu)特點特別使用于有強電場、強磁場干擾的場合。本系統(tǒng)采用Agilent公司的光耦HCNR201。
      A/D芯片是系統(tǒng)的核心器件之一，測量的精度主要取決于A/D轉(zhuǎn)換器的準(zhǔn)確度。本系統(tǒng)采用了MC14433，它具備零漂補償和采用CMOS工藝制造的3 1/2位單片雙積分A/D轉(zhuǎn)換器，具有外接元件少，輸入阻抗高，功耗低，抗干擾能力強，電源電壓范圍寬，精度高等特點，并且具有自動校零和自動極性轉(zhuǎn)換功能。由于它的低速轉(zhuǎn)換，因此只能對一些變化緩慢的物理參數(shù)如溫度、持續(xù)壓力和拉力進行轉(zhuǎn)化。其采用字位動態(tài)掃描BCD碼輸出方式，即千、百、十、個位BCD碼分時在Q0～Q3輪流輸出，同時在DS1～DS4端輸出同步字位選通脈沖，讀書直觀，應(yīng)用于各種儀器儀表。
3.1.2編碼器及譯碼器的設(shè)計
      本系統(tǒng)采用摩托羅拉公司的編碼器MC145026及譯碼器MC145027。MC145026/27是Motorola公司生產(chǎn)的用于通信的配對芯片,它是一種低壓CMOS編譯碼器件，具有較強的抗干擾能力，廣泛應(yīng)用于遙控遙測電路[5]。它們的基本特性是：
    （1）當(dāng)編碼器發(fā)送腳TE（14腳）接地（低電平時），編碼器將5位地址及4位數(shù)據(jù)以不同的脈沖編碼方式串行輸出，每發(fā)送一次，編碼器自動送出兩串相同的地址、數(shù)據(jù)脈沖串（由15腳輸出）。
     （2）譯碼器接收到編碼器發(fā)送的第一串脈沖信號后，若譯碼器的5位地址與編碼器的5位地址完全相同，則將傳送來的4位數(shù)據(jù)送入寄存器；接到第二串脈沖信號，再經(jīng)過第二次核對，若地址無誤，數(shù)據(jù)與第一次相符，才將4位數(shù)據(jù)送到輸出端并鎖存；VT腳由低電平變高電平，表示接收信號，此高電平一直保持到有新的數(shù)據(jù)輸入或間隔4次數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r間而無新的數(shù)據(jù)輸入為止。
     （3）每傳輸一次所需要的時間取決于內(nèi)部振蕩器的工作頻率，由片外的RC參數(shù)決定。振蕩頻率可在1.71~362KHz范圍內(nèi)選取。
     （4）靜態(tài)電流特別小，編碼器小于1uA，譯碼器一般也小于100uA。
3.1.3數(shù)據(jù)處理單元設(shè)計
      系統(tǒng)采用了單片機AT89S53，完成對所需測量的參數(shù)進行定時采集、計算、誤差處理、存儲以及數(shù)據(jù)的發(fā)送控制等。 AT89S53是一個低功耗，高性能CMOS 8位單片機，片內(nèi)含12k Bytes ISPD串行編程可反復(fù)擦寫1000次的Flash只讀程序存儲器，芯片內(nèi)集成了通用8位中央處理器和ISP Flash存儲單元，功能強大的微型計算機的AT89S53可為許多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高性價比的解決方案。
      AT89S53單片機設(shè)計和配置了振蕩頻率可為0Hz并可通過軟件設(shè)置省電模式?？臻e模式下，CPU暫停工作，而RAM定時計數(shù)器，串行口，外中斷系統(tǒng)可繼續(xù)工作，掉電模式凍結(jié)振蕩器而保存RAM的數(shù)據(jù)，停止芯片其它功能直至外中斷激活或硬件復(fù)位。
      A/D變換器輸出的Q0～Q3及DS1～DS4采用查詢方式將千、百、十、個位數(shù)輸入單片機，并將這4位數(shù)分別存入RAM中。輸入的數(shù)據(jù)可以是正值或負值，這可根據(jù)千位的Q2來判斷：Q2=1時，數(shù)據(jù)為正；Q2=0時，數(shù)據(jù)為負。通過軟件來判別Q2是否為1，即可確定符號位的正負。由單片機程序控制，順序地將符號位、千位、百位、十位、個位數(shù)逐位地通過單片機輸出到無線通信芯片。單片機除了上述功能外，它還可以利用軟件進行計算和數(shù)據(jù)處理，對非線性傳感器進行校正，或?qū)δ承┯幸?guī)律的誤差進行自動補償，這樣可充分發(fā)揮單片機的功能，并提高測量的精度。
3.1.4無線通信單元設(shè)計
      無線通信模塊采用Chipcon 公司的CC2420 作為該模塊的核心器件。該芯片是符合IEEE802. 15. 4 規(guī)范、工作在2. 4 GHz ISM 公用頻道的射頻收發(fā)器[6]。該收發(fā)器低功耗、抗干擾能力強，具有輸出強度和收發(fā)頻率可編程等特點。一般相近兩個節(jié)點間的通信距離為10 ～ 100 m，在加大無線發(fā)射功率后，可增加到1 ～ 3 km。其最大收發(fā)速率為250kbps。該芯片還具有硬件加密、抗鄰頻道干擾能力強、安全可靠、抗毀性強等特點。
       由CC2420 實現(xiàn)物理層的數(shù)據(jù)收發(fā)和底層控制，通過SFD，F(xiàn)IFO，F(xiàn)IFOP 和CCA4 個引腳表示收發(fā)數(shù)據(jù)的狀態(tài); 處理器通過SPI接口與CC2420 交換數(shù)據(jù)、發(fā)送命令。CC2420通過簡單的四線(SI、SO、SCLK、CSn)與SPI兼容串行接口配置，這時CC2420是受控的。AT89S53的SPI工作在主機模式，它是SPI數(shù)據(jù)傳輸?shù)目刂品?，CC2420設(shè)為從機工作方式。AT89S53與CC2420引腳連接圖如圖2所示。

圖2  AT89S53與CC2420引腳連接圖

      CC2420的外圍電路包括晶振時鐘電路、射頻輸入/ 輸出匹配電路和微控制器接口電路三個部分。CC2420可以通過4線SPI總線設(shè)置芯片的工作模式,并實現(xiàn)讀/ 寫緩存數(shù)據(jù),讀/ 寫狀態(tài)寄存器等。通過控制FIFO和FIFOP管腳接口的狀態(tài)可設(shè)置發(fā)射/ 接收緩存器。CC2420通過SI引腳接收從單片機AT89S53輸出的數(shù)據(jù)信號，并通過SO引腳把數(shù)據(jù)發(fā)送出去。
3.1.5接收顯示電路設(shè)計
      由譯碼器輸出的符號位及4 位數(shù)據(jù)經(jīng)BCD碼--七段碼譯碼器譯碼后,與十進制計數(shù)器配合(位控) ,進行動態(tài)掃描顯示。本系統(tǒng)采用七段譯碼器4511及十進制計數(shù)器CD4017。通電后，當(dāng)信號未傳輸時，MC145027譯碼器4位輸出為0000，4017清零端R由輸入一尖脈沖，使4017清零，個位數(shù)碼管被選通，個位數(shù)碼管顯示出0，這是準(zhǔn)備接受狀態(tài)。當(dāng)信號傳輸時，由通信程序控制，先輸入符號，然后再依次輸入千、百、十、個位數(shù)據(jù)。MC145027接收到符號位的數(shù)據(jù)后，VT由低電平變高電平，它與4017的輸入端CL相連，VT的電平由低變高的信號使4017進位，由Q0高電平轉(zhuǎn)換為Q1高電平，BG3導(dǎo)通，使符號位數(shù)碼管顯示，其余類推。
      本設(shè)計的新型無線傳感器遙測系統(tǒng)是針對有強電場、強磁場干擾且不便于近距離測量的場合而設(shè)計的，如果按照傳統(tǒng)做法采用普通于電池供電，由于電池容量有限，電池漏電流的存在也將大大縮短電池的壽命，特別是在較潮濕的環(huán)境中使用而未采用一定保護措施，或電池本身的質(zhì)量問題等造成電池的自身放電，節(jié)點也將由于能量耗盡而很快失效[7]?？紤]到在核化污染區(qū)域環(huán)和氣象環(huán)境中或多或少地總有直射光或反射光，這就使得利用太陽能對系統(tǒng)供電成為最佳方式。
3.2 軟件設(shè)計
      系統(tǒng)的軟件程序采用了模塊化的設(shè)計思想,單片機通信程序采用匯編語言編寫,主要包括對傳感程序的設(shè)計首先需要進行初始化,如設(shè)置中斷、定時器、串行口的初始化,以及CC2420 的結(jié)構(gòu)配置,如接收/ 發(fā)射模式、射頻輸出功率、加電/ 低功耗模式等器數(shù)據(jù)的采集和發(fā)送。A/D轉(zhuǎn)換發(fā)送程序流程圖在此不再贅述。
4 結(jié)束語
      系統(tǒng)采用了無線通信芯片是CC2420，單片機是AT89S53，完成對所需測量的參數(shù)進行定時采集、計算、誤差處理、存儲以及數(shù)據(jù)的發(fā)送控制等。采用無線通信芯片是CC2420收發(fā)數(shù)據(jù)，并在發(fā)送電路中采用了編碼器，在接收電路中相應(yīng)增加了解碼器，將測量參數(shù)的數(shù)字信號編碼發(fā)送，解碼接收原信號，從而有效控制了由無線信道噪聲或干擾造成的差錯。系統(tǒng)選用的器件數(shù)據(jù)傳輸精度高，抗干擾能力強，這對有強電場、強磁場干擾且不便于近距離測量的場合具有重要的參考價值和廣闊的應(yīng)用前景。
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